王宣宇

WANG Xuan-yu

（河南洛陽(yáng)欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司，洛陽(yáng) 471542）

0 引言

設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)以現(xiàn)代科學(xué)中的系統(tǒng)論、控制論、可靠性理論、失效性理論為基礎(chǔ)，以傳感器、計(jì)算機(jī)等為技術(shù)手段結(jié)合監(jiān)測(cè)對(duì)象的特殊性，有針對(duì)地對(duì)各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)設(shè)備狀態(tài)做出實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，對(duì)故障提前預(yù)報(bào)并做出診斷，減少停機(jī)或避免事故擴(kuò)大化，使企業(yè)對(duì)設(shè)備的維修管理從計(jì)劃性維修、事故性維修過(guò)渡到以狀態(tài)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)的預(yù)防性維修，提高企業(yè)設(shè)備管理現(xiàn)代化水平，創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益[1,2]。水環(huán)真空泵為選礦廠過(guò)藥車(chē)間的關(guān)鍵設(shè)備，真空泵由泵體、葉輪、軸、側(cè)蓋、分配器等零件構(gòu)成。為了及時(shí)進(jìn)行故障預(yù)報(bào)、及早做出診斷，因此把自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)方式的設(shè)備監(jiān)測(cè)方式應(yīng)用到水環(huán)式真空泵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)中是十分必要和可行的。

1 振動(dòng)診斷技術(shù)概述

振動(dòng)診斷在設(shè)備中，或基本上不拆遷中的所有設(shè)備，測(cè)試設(shè)備，振動(dòng)信號(hào)，運(yùn)行和控制設(shè)備的情況下應(yīng)用十分廣泛，該技術(shù)是目前運(yùn)行的狀態(tài)，都未能確定位置，原因及預(yù)測(cè)未來(lái)技術(shù)的預(yù)測(cè)。它具有以下特點(diǎn)：1）設(shè)備的操作同步振動(dòng)信號(hào)，故障信息可以在振動(dòng)信號(hào)中。2）容易實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和診斷。3）作為高故障率增加振動(dòng)的跡象，失敗常見(jiàn)的癥狀有明顯的振動(dòng)特性，易于識(shí)別。4）檢測(cè)手段，方法，理論已經(jīng)比較成熟。5）該方法簡(jiǎn)單，操作方便，投資少。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇應(yīng)以科學(xué)的那些最能夠運(yùn)行的測(cè)量點(diǎn)設(shè)備狀態(tài)的設(shè)備作出全面介紹振動(dòng)的真實(shí)反映。一般應(yīng)在環(huán)繞及其外部，以及互相垂直在三個(gè)方向上，選擇一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，在機(jī)器振動(dòng)敏感點(diǎn)進(jìn)行選擇。該測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量可以反映機(jī)器的主要上線運(yùn)行。測(cè)量下列一般原則為基礎(chǔ)點(diǎn)的選擇[3]：1）機(jī)械振動(dòng)敏感點(diǎn)，機(jī)器距離最近的臨界點(diǎn)的核心部件，容易出現(xiàn)退化的薄弱環(huán)節(jié)。2）機(jī)器的支點(diǎn)剛度等為基礎(chǔ)，軸承等。3）大型設(shè)備的測(cè)試點(diǎn)選擇的設(shè)備應(yīng)能反映所有狀況，在設(shè)備的前，后，上，下，左，右，中間應(yīng)該有一個(gè)測(cè)點(diǎn)。4）選定測(cè)試點(diǎn)應(yīng)注意的環(huán)境。如果振動(dòng)，高溫，高壓點(diǎn)，出風(fēng)口源等。

2 真空泵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軸承振動(dòng)對(duì)軸承的損傷很敏感，例如剝落、壓痕、銹蝕、裂紋、磨損等都會(huì)在軸承振動(dòng)測(cè)量中反映出來(lái)，所以，通過(guò)采用特殊的軸承振動(dòng)測(cè)量器（頻率分析器等）可測(cè)量出振動(dòng)的大小，測(cè)得的數(shù)值因軸承的使用條件或傳感器安裝位置等而不同。通常，軸承的溫度隨著軸承運(yùn)轉(zhuǎn)開(kāi)始慢慢上升，1.2小時(shí)后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。軸承的正常溫度因機(jī)器的熱容量，散熱量，轉(zhuǎn)速及負(fù)載而不同。如果潤(rùn)滑、安裝不合適，則軸承溫度會(huì)急驟上升，會(huì)出現(xiàn)異常高溫，這時(shí)必須停止運(yùn)轉(zhuǎn)，采取必要的防范措施[4]。

2.1 監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)選擇

至于皮帶驅(qū)動(dòng)方式，振動(dòng)測(cè)試主要是在側(cè)面和軸承振動(dòng)，具體的測(cè)量點(diǎn)選擇：驅(qū)動(dòng)側(cè)的圓柱滾子軸承水平振動(dòng)和垂直振動(dòng)，非驅(qū)動(dòng)側(cè)的振動(dòng)水平圓柱滾子軸承，垂直振動(dòng)；驅(qū)動(dòng)側(cè)的圓柱滾子軸承溫度；非驅(qū)動(dòng)端圓柱滾子軸承溫度；軸的軸向位移。

真空泵從長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中來(lái)看，由于葉輪積灰，軸承失效和真空泵振動(dòng)較大，嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)。因此，振動(dòng)測(cè)量在振動(dòng)敏感地點(diǎn)進(jìn)行選擇。真空泵傳動(dòng)側(cè)、非傳動(dòng)側(cè)滾動(dòng)軸承的水平振動(dòng)、垂直振動(dòng)信號(hào)，選用磁電式振動(dòng)速度傳感器拾取，軸位移由電渦流傳感器測(cè)量。

2.2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

基于上述分析，為了使得整個(gè)系統(tǒng)得到可靠、穩(wěn)定以及具有可擴(kuò)展性的要求，提出系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。其中主要包括兩個(gè)模塊。模塊一主要包括：利用EN3 800內(nèi)集成的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、A/D轉(zhuǎn)換功能，同時(shí)把從傳感器拾取的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)接到EN3 800后背板上的接線端子上進(jìn)行處理，這樣不僅僅簡(jiǎn)化系統(tǒng)體積，同時(shí)也使得整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程顯得比較靈活簡(jiǎn)單，界面比較友好。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的各種振動(dòng)信號(hào)，可以更具需要靈活處理，同時(shí)進(jìn)行一系列的勢(shì)分析、資料列表、事件統(tǒng)計(jì)列表、報(bào)警事件列表、累計(jì)列表；顯示方式多樣。模塊二主要利用EN3800振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。開(kāi)放相應(yīng)的上位機(jī)軟件，進(jìn)行分析和診斷的過(guò)程，即為詳細(xì)分析診斷EN3800采集到的結(jié)果。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

此外，本系統(tǒng)硬件和軟件功能擴(kuò)展性極強(qiáng)，能夠根據(jù)用戶需要適當(dāng)調(diào)整，為用戶提供全面及時(shí)周到的服務(wù)。采用當(dāng)代最先進(jìn)的微電子技術(shù)，集成化程度高，體積小，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，安裝方便。提供數(shù)據(jù)分析功能，計(jì)算任一通道的最大值、最小值、平均值和報(bào)警次數(shù)等，為了解機(jī)組狀態(tài)的變化提供了有利手段。帶有RS-232及RS-485通訊接口，能夠直接與計(jì)算機(jī)和DCS系統(tǒng)通訊，可以滿足聯(lián)網(wǎng)的需要。

3 真空泵典型振動(dòng)信號(hào)分析

3.1 實(shí)測(cè)典型振動(dòng)信號(hào)分析

通過(guò)上述分析，我們對(duì)于新購(gòu)置的一套真空泵的實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，由于是新泵，其葉輪、泵體、主軸為不銹鋼材料，使用優(yōu)質(zhì)軸承，潤(rùn)滑良好，所以在運(yùn)行過(guò)程中比較正常、平穩(wěn)。但是在在起車(chē)和停車(chē)過(guò)程中某一轉(zhuǎn)速下振動(dòng)值超過(guò)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，出現(xiàn)較大的振動(dòng)，分析可能原因?yàn)檗D(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生較大的共振。通過(guò)上述方法，捕捉到的異常振動(dòng)波形，是正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的振動(dòng)，時(shí)間2009年2月25日16：45開(kāi)始，經(jīng)過(guò)波形分析，首先軸向位置發(fā)生了明顯變化，由0.05mm變化到0.09mm，約8分鐘后傳動(dòng)端和非傳動(dòng)端軸承的垂直振動(dòng)、水平振動(dòng)同時(shí)開(kāi)始增加，與ISO 10816-3旋轉(zhuǎn)機(jī)器振動(dòng)烈度標(biāo)準(zhǔn)相比，實(shí)際振動(dòng)值超過(guò)正常值十幾倍左右，軸位移從0.09mm變化到0.14mm，該狀態(tài)持續(xù)時(shí)間4分20秒。在此過(guò)程中軸承振動(dòng)有起伏，兩側(cè)軸承振動(dòng)幅度下降到一定程度，而各個(gè)測(cè)量點(diǎn)振動(dòng)幅度基本上不超標(biāo)，軸位置一直保持在0.12mm，之后兩側(cè)軸承振動(dòng)幅值下降到一定水平（期間軸承振動(dòng)有起伏），各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)幅值基本上不超標(biāo)準(zhǔn)或超標(biāo)幅度較小，但軸位置始終保持在0.13mm，該過(guò)程的時(shí)間長(zhǎng)度為3分鐘50秒，然后真空泵又出現(xiàn)較大振動(dòng)，振動(dòng)值是旋轉(zhuǎn)機(jī)器振動(dòng)烈度標(biāo)準(zhǔn) 4到8倍，此時(shí)軸位置基本維持在0.14mm，持續(xù)時(shí)間2分鐘20秒。然后振動(dòng)幅值開(kāi)始顯著下降，但此時(shí)依然超過(guò)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，軸位置保持0.14或0.15mm，約4分鐘后才開(kāi)始進(jìn)入停車(chē)階段。

從上述振動(dòng)分析結(jié)果來(lái)看，真空泵傳動(dòng)側(cè)軸承的垂直與水平振動(dòng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非傳動(dòng)側(cè)的振動(dòng)；約為3～4倍左右，同時(shí)真空泵主軸方向出現(xiàn)0.2mm左右的軸向向竄動(dòng)。兩次振動(dòng)階段的累積時(shí)間接近7分鐘，這對(duì)于真空泵的正常運(yùn)行顯得十分有害的。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)緊急停車(chē)仔細(xì)檢查真空泵發(fā)現(xiàn)，使電機(jī)輸出軸與真空泵主軸不平行，帶傳動(dòng)不平穩(wěn)，真空泵產(chǎn)生較大振動(dòng)的原因主要是電動(dòng)機(jī)地腳螺絲松動(dòng)。

在振動(dòng)監(jiān)測(cè)中，困所監(jiān)測(cè)的真空泵是新安裝的，泵體材質(zhì)為不銹鋼，在幾個(gè)月的時(shí)間里不會(huì)形成葉片結(jié)垢、腐蝕等問(wèn)題，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)出廠時(shí)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的動(dòng)平衡，正常運(yùn)行中振動(dòng)值較小，在安全范圍中，表明真空泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)沒(méi)有質(zhì)量偏心、質(zhì)量缺損、軸彎曲等機(jī)械故障。并且軸承也工作正常，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的升降速過(guò)程或降速過(guò)程是一種非平穩(wěn)過(guò)程，對(duì)其測(cè)試信號(hào)進(jìn)行分析需要用時(shí)頻分析方法。小波變換就是時(shí)頻分析方法的一種。

3.2 小波變換理論及其仿真

現(xiàn)在，小波分析已經(jīng)在科技信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域取得了令人矚目的成就。電子信息技術(shù)是六大高新技術(shù)中重要的一個(gè)領(lǐng)域，它的重要方面是圖象和信號(hào)處理。現(xiàn)今，信號(hào)處理已經(jīng)成為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)工作的重要部分，信號(hào)處理的目的就是：準(zhǔn)確的分析、診斷、編碼壓縮和量化、快速傳遞或存儲(chǔ)、精確地重構(gòu)（或恢復(fù)）。從數(shù)學(xué)地角度來(lái)看，信號(hào)與圖象處理可以統(tǒng)一看作是信號(hào)處理（圖象可以看作是二維信號(hào)），在小波分析地許多分析的許多應(yīng)用中，都可以歸結(jié)為信號(hào)處理問(wèn)題。現(xiàn)在，對(duì)于其性質(zhì)隨實(shí)踐是穩(wěn)定不變的信號(hào)，處理的理想工具仍然是傅立葉分析。但是在實(shí)際應(yīng)用中的絕大多數(shù)信號(hào)是非穩(wěn)定的，而特別適用于非穩(wěn)定信號(hào)的工具就是小波分析。

現(xiàn)有一分段信號(hào)

其產(chǎn)生的時(shí)域波形圖如圖2所示，利用db2小波對(duì)其進(jìn)行5層分解的得到各層逼近信號(hào)如圖2所示，5層分解得到的細(xì)節(jié)信號(hào)如圖3所示。

可以看到，原函數(shù)在t=1500處是連續(xù)且光滑的，其一階導(dǎo)數(shù)在此處連續(xù)，但二階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，這導(dǎo)致小波在t=1500處發(fā)生劇烈的變化。由此可用小波找出二階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)點(diǎn)的位置，說(shuō)明小波具有檢測(cè)到隱含在函數(shù)導(dǎo)數(shù)中的突變信息。

圖2 分段號(hào)時(shí)域波形

圖3 經(jīng)db2小波5層分解后各層逼近信號(hào)

綜上所述，在圖3中，近似信號(hào)a1～a5逐漸的將兩個(gè)正弦波分離出來(lái)，因此小波分解的逼近信號(hào)反映了所分解信號(hào)的大致輪廓概貌和發(fā)展趨勢(shì)。經(jīng)db2小波分解后的細(xì)節(jié)信號(hào)清晰的顯示出了該信號(hào)的頻率間斷，因此我們從這些信號(hào)上就能夠較好的判斷其信號(hào)突變點(diǎn)的出現(xiàn)時(shí)間和大概位置。這在我們對(duì)存在故障的復(fù)雜機(jī)械設(shè)備進(jìn)行瞬時(shí)沖擊信號(hào)檢測(cè)時(shí)提供了較為有力的幫助。而從對(duì)分段信號(hào)所作的頻域圖可以看出，我們只能僅僅知道該信號(hào)所含的大概頻率，而這只是平穩(wěn)信號(hào)所具有的頻率，我們不能夠從圖上得知整個(gè)信號(hào)變化的規(guī)律，同時(shí)也不知道信號(hào)發(fā)生突變的時(shí)間及位置。FFT不能同時(shí)顯示時(shí)間和頻率的譜圖，這就給具體的診斷過(guò)程帶來(lái)了不便。

由上可知，小波分析能更好的表示信號(hào)的全貌和發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)其在突變點(diǎn)監(jiān)測(cè)上的優(yōu)勢(shì)使其越來(lái)越多的應(yīng)用在了非平穩(wěn)沖擊信號(hào)的故障監(jiān)測(cè)當(dāng)中。而用FFT由于其在非平穩(wěn)沖擊信號(hào)分析中的不足，使得其應(yīng)用受到較大的局限，這就使得以小波分析為主要分析手段的時(shí)頻分析得到了普及。

4 結(jié)論

本文針對(duì)水環(huán)式真空泵，在理論和實(shí)踐上比較系統(tǒng)地研究了振動(dòng)信號(hào)分析方法在真空泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用，重點(diǎn)研究了真空泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其工程應(yīng)用。通過(guò)對(duì)連續(xù)多個(gè)月振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集和分析，成功捕捉到了真空泵起車(chē)、停車(chē)以及運(yùn)行狀態(tài)下的異常振動(dòng)特征。實(shí)踐證明振動(dòng)信號(hào)分析方法為真空泵安全平穩(wěn)生產(chǎn)提供了保證。

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